JPH10135800A - 二値化回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二値化回路において、常にデューティ比が５
０％の安定した二値化出力を得る。 【解決手段】 入力信号中に正弦波成分が含まれている
ときはピークホールド回路１の出力電圧とボトムホール
ド回路１０の出力電圧の平均値を平均化回路２２でとっ
て参照電圧Ｅとし、参照電圧Ｅを入力信号に含まれてい
る直流成分の変動に追従して変動させ、入力信号に含ま
れる直流成分の周波数が低下し停止状態にあるときは第
１，第２の漸近回路４，１３をピークホールド回路１と
ボトムホールド回路１３に接続しないで固定し、常にデ
ューティ比が５０％の安定した二値化出力を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アナログ信号を二
値化する二値化回路に関し、特に緩やかに変動する直流
成分の正弦波状の高周波信号が重畳するような入力信号
を安定した二値化信号として出力する二値化回路に関す
る。位置や回転角を検出する光学式エンコーダの光検知
出力として、緩やかに変化する直流成分の上に正弦波信
号が重畳し、なおかつこの正弦波信号の周波数が大きく
変化するような形式の信号がしばしば現れる。このよう
な場合に、正確な位置や回転角を検出するためには、ア
ナログ入力信号を常にデューティ比５０％の安定した二
値化信号として出力することができる二値化回路の開発
が要望されていた。

【０００２】

【従来の技術】従来の二値化回路としては、例えば図５
に示すようなものが知られている。図５において、１０
１はオペアンプよりなる二値化回路であり、オペアンプ
１０１のプラス入力端子には二値化すべきアナログ信号
が入力する。オペアンプ１０１のマイナス入力端子には
一定電圧の参照電圧Ｅを出力する電源１０２が接続され
ている。参照電圧Ｅとしては信号の平均電圧（一定電
圧）が用いられる。

【０００３】オペアンプ１０１は入力信号と一定電圧の
参照電圧Ｅを比較して、入力信号が参照電圧Ｅより高い
ときハイレベルの信号を出力し、入力信号が参照電圧Ｅ
より低いときはローレベルの信号を出力する。したがっ
て、入力信号が一定の直流成分の上に正弦波の信号が重
畳するようなアナログ信号の場合には、デューティ比が
５０％の正しい二値化を行うことができる。

【０００４】しかしながら、入力信号が図６に示すよう
に変動する直流成分１０３上に正弦波１０４が重畳する
ような信号の場合には、二値化後の信号はデューティ比
が５０％から外れたり、正しくは二値化することができ
ない。このような不具合を解決した二値化回路として
は、図７に示すようなものがある。

【０００５】図７において、１０５は二値化回路を構成
するオペアンプであり、オペアンプ１０５のマイナス入
力端子にはアナログ信号が入力する。オペアンプ１０５
のマイナス入力端子と入力信号の間には抵抗Ｒが接続さ
れ、抵抗Ｒとマイナス入力端子の中間点にはコンデンサ
Ｃの一端が接続され、コンデンサＣの他端は接地接続さ
れている。

【０００６】抵抗ＲとコンデンサＣは大きな時定数を有
するフィルタ回路を構成しており、入力信号はフィルタ
回路を通ってオペアンプ１０５のマイナス入力端子に参
照電圧Ｅとして入力する。参照電圧Ｅは入力電圧のほぼ
平均値を示すので、入力信号が規則正しく変化する場合
には、デューティ比が５０％の正しい二値化を行うこと
ができる。

【０００７】図８（Ａ）は入力電圧と参照電圧Ｅの関係
を示すグラフで、図８（Ｂ）は二値化出力を示すグラフ
である。図８（Ａ）において、Ａは入力信号の入力電圧
を示し、入力電圧Ａは緩やかに変動する直流成分の上に
正弦波が重畳する信号で、規則正しく変化しているが、
中途で入力信号が停止状態となり、その後再び変動する
直流成分の上に正弦波が重畳する。

【０００８】参照電圧Ｅは、入力電圧Ａが規則正しく変
化する場合には、入力電圧Ａのほぼ平均化を示すが、入
力電圧Ａの周波数が低くなると、参照電圧Ｅは平均値か
らはずれてしまう。したがって、図８（Ｂ）に示すよう
に、入力電圧Ａが規則正しく変化する場合には、参照電
圧Ｅも入力電圧Ａのほぼ平均化を示すので、デューティ
比が５０％の正しい二値化出力Ｏが得られる。

【０００９】しかしながら、入力電圧Ａの周波数が低く
なった場合には、参照電圧Ｅは入力電圧Ａの平均値から
外れるため、Ｐで示すような正しい二値化出力が得られ
ず、Ｑで示すような誤動作が発生する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図５に示したように、
図６のような入力信号を一定電圧と比較して二値化し、
参照電圧Ｅとして入力信号の平均電圧を用いる場合に
は、二値化後の信号がデューティ比５０％から外れた
り、正しく二値化することができないという問題があっ
た。

【００１１】また、図７に示すように、入力信号を比較
的大きな時定数を有するＣＲフィルタ回路に通したもの
を参照電圧Ｅとする場合には、入力信号の周波数が低く
なった場合には図８（Ａ）に示すように参照電圧Ｅが同
時に変動してしまい、誤動作が生じ、デューティ比が５
０％の正しい二値化出力が得られないという問題があっ
た。

【００１２】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、常にデューティ比が５０％の
安定した二値化出力が得られる二値化回路を提供するこ
とを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は図１のように構成する。本発明は、アナロ
グ入力信号のピーク電圧を保持するピークホールド回路
１と、アナログ入力信号のボトム電圧を保持するボトム
ホールド回路１０と、ピークホールド回路１の出力電圧
とボトムホールド回路１０の出力電圧の平均値をとる平
均化回路２２と、平均化回路２２の出力電圧とアナログ
入力信号の入力電圧を比較して二値化する比較回路２５
と、入力電圧がピークホールド電圧よりも低い場合に一
定の低電位に向って漸次電圧を下降させる第１の漸近回
路４と、入力電圧がボトムホールド電圧よりも高い場合
に一定の高電位に向って漸次電圧を上昇させる第２の漸
近回路１３と、比較回路２５の二値化出力に基づいてピ
ークホールド回路１およびボトムホールド回路１０の各
出力を第１，第２の漸近回路４，１３に一定時間接続さ
せる制御回路８と、を備える。

【００１４】また、制御回路８の出力側にオア回路を設
けて、オア回路を介して初期化信号によりピークホール
ド回路１およびボトムホールド回路１０の各出力を第
１，第２の漸近回路４，１３に接続させるようにしてい
る。このような構成を備えた本発明の二値化回路によれ
ば、入力信号中に正弦波成分が含まれているときは、平
均値回路２２の出力電圧である参照電圧が入力信号に含
まれる直流成分の変動に追従して自動的に変動し、ま
た、入力信号中の正弦波成分の周波数が低下し停止状態
にあるときは参照電圧が固定されるので、常にデューテ
ィ比が５０％の安定した二値化出力が得られる。

【００１５】また、制御回路８の出力側にオア回路を設
けて、オア回路を介して初期化信号によりピークホール
ド回路１およびボトムホールド回路１０の各出力を第
１，第２の漸近回路４，１３に接続させるので、初期状
態において回路を確実に立ち上げることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図２は本発明の一実施形態を示す
回路図である。図２において、１は二値化すべきアナロ
グ信号である入力信号が入力するピークホールド回路で
あり、ピークホールド回路１は入力信号のピーク電圧を
保持する。

【００１７】二値化すべき入力信号の入力電圧Ａは、図
３（Ａ）に示すように、緩やかに変化する直流成分の上
に正弦波信号が重畳されたものであり、なおかつ、この
正弦波信号の周波数が大きく変化するような形式の電圧
である。このような電圧は位置や回転角を検出する光学
式エンコーダの光検知出力などにしばしば現れる。ピー
クホールド回路１はダイオード２とコンデンサ３とに構
成され、ダイオード２のカソード側にはコンデンサ３の
一端が接続され、コンデンサ３の他端は接地接続されて
いる。

【００１８】ピークホールド回路１は入力電圧Ａが図８
（Ａ）に示すピークホールド電圧Ｂよりも高い場合には
入力電圧Ａのピーク値まで瞬時にピークホールド電圧Ｂ
を上昇させて保持する。ピークホールド回路１の出力側
には第１の漸近回路４が接続されている。第１の漸近回
路４はトランジスタ５と抵抗６，７により構成される。
トランジスタ５のコレクタは抵抗６を介してピークホー
ルド回路１の出力側に接続され、ベースは抵抗７を介し
て制御回路としての再トリガ可能な単安定バイブレータ
８に接続され、エミッタは接地接続されている。

【００１９】抵抗６はピークホールド回路１のピーク電
圧を一定の低電位に向って漸次下降させるために設けら
れている。抵抗７はトランジスタ５のベースの印加され
る電圧を検出するために設けられている。第１の漸近回
路４はトランジスタ５がオンのとき入力電圧Ａがピーク
ホールド電圧Ｂよりも低い場合に一定の低電位に向って
漸次ピークホールド電圧Ｂを下降させる。

【００２０】トランジスタ５がオフのときは、ピークホ
ールド回路１のピークホールド電圧Ｂがそのままオペア
ンプ９に出力される。すなわち、オペアンプ９のプラス
入力端子には、ピークホールド回路１のピーク電圧を第
１の漸近回路４で一定の低電位に下降させたピークホー
ルド電圧Ｂまたは第１の漸近回路４がオフのときのピー
クホールド電圧Ｂがそのまま入力し、オペアンプ９の出
力をオペアンプ９のマイナス入力端子に帰還させてい
る。

【００２１】１０は入力信号が入力するボトムホールド
回路であり、ボトムホールド回路１０はダイオード１１
とコンデンサ１２とに構成され、ダイオード１１のアノ
ード側にはコンデンサ１２の一端が接続され、コンデン
サ１２の他端は接地接続されている。ボトムホールド回
路１０は入力電圧がボトムホールド電圧より低い場合に
は入力するボトム電圧に瞬時にボトムホールド電圧を下
降させて保持する。ボトムホールド回路１０の出力側に
は第２の漸近回路１３が接続されている。第２の漸近回
路１３はトランジスタ１４，１５と抵抗１６，１７，１
８，１９と電源２０とにより構成されている。

【００２２】トランジスタ１４のコレクタは抵抗１８を
介してトランジスタ１５のベースおよび抵抗１９を介し
て電源２０に接続され、ベースは抵抗１７を介して単安
定バイブレータ８側に接続され、エミッタは接地接続さ
れている。また、トランジスタ１５のエミッタは電源２
０に接続され、ベースは抵抗１８を介してトランジスタ
１４のコレクタおよび抵抗１９を介して電源２０に接続
され、コレクタは抵抗１６を介してボトムホールド回路
１３の出力側に接続されている。なお、電源２０は図２
では二個表示されているが、実際は同一の電源である。

【００２３】抵抗１６は、一定の高電位に向って漸次ボ
トムホールド電圧を上昇させるために設けられている。
抵抗１７はトランジスタ１４のベースに印加される電圧
を検出する。抵抗１８および抵抗１９はバイアス用の抵
抗である。トランジスタ１４がオンすると、電源２０か
らの電流は、抵抗１９、抵抗１８を通ってコレクタから
接地接続されているエミッタに流れる。したがって、ト
ランジスタ１５のベースにかかる電圧は、抵抗１８と抵
抗１９に分圧されて下降するので、トランジスタ１５も
オンし、抵抗１６を介してボトムホールド電圧を漸次一
定の高電位に向って上昇させる。

【００２４】トランジスタ１４，１５がオフのときは、
ボトムホールド回路１３のボトムホールド電圧は、オペ
アンプ２１のプラス入力端子にそのまま入力し、トラン
ジスタ１４，１５がオンのときは、ボトムホールド回路
１３のボトムホールド電圧は一定の高電位に向って上昇
してオペアンプ２１のプラス入力端子に入力する。オペ
アンプ２１の出力電圧は、オペアンプ２１のマイナス入
力端子に帰還するようになっている。

【００２５】２２は平均化回路であり、平均化回路２２
は抵抗２３と抵抗２４とにより構成されている。平均化
回路２２はオペアンプ９の出力電圧とオペアンプ２１の
出力電圧の平均値をとる。したがって、抵抗２３と抵抗
２４との間の中間点Ｄの電圧は、ピークホールド回路１
のピークホールド電圧とボトムホールド回路１０のボト
ムホールド電圧の平均値をとった参照電圧Ｅとなる。こ
の参照電圧Ｅは、比較回路としての比較器２５のマイナ
ス入力端子と入力し、比較器２５のプラス入力端子には
入力信号が入力する。

【００２６】比較器２５は入力信号の電圧と平均値回路
２２の参照電圧Ｅを比較して二値化出力を行う。比較器
２５からの二値化出力は、制御回路としての単安定バイ
ブレータ８に入力する。単安定バイブレータ８には抵抗
２６とコンデンサ２７が接続され、二値化出力がローレ
ベルからハイレベルに遷移するたびに抵抗２６とコンデ
ンサ２７で決まる時間τだけ単安定バイブレータ８の出
力はハイレベルになる。

【００２７】したがって、二値化出力がハイレベルにな
ってから、次のハイレベルになるまでの時間（一周期）
が単安定バイブレータ８がハイレベルの時間τより短い
間は単安定バイブレータ８はハイレベルの状態にあり、
二値化出力がなくなり、ハイレベルから次のハイレベル
までの時間が単安定バイブレータ８のハイレベルの時間
τより長くなると、単安定バイブレータ８はローレベル
の状態になる。

【００２８】単安定バイブレータ８がハイレベルのとき
は、第１，第２の漸近回路４，１３はオンになり、ピー
クホールド回路１は第１の漸近回路４にオン時間だけ接
続され、また、ボトムホールド回路１０は第２の漸近回
路１３にオン時間だけ接続される。単安定バイブレータ
８の出力がローレベルのときは、第１，第２の漸近回路
４，１３はオフになり、ピークホールド回路１の出力は
そのままオペアンプ９に入力し、また、ボトムホールド
回路１０の出力はそのままオペアンプ２１に入力する。

【００２９】単安定バイブレータ８の出力側にはオア回
路２８が接続され、オア回路２８を介して初期化信号が
第１，第２の漸近回路４，１３に与えられるようになっ
ている。初期化信号によりピークホールド回路１の出力
を第１の漸近回路４に接続し、また、ボトムホールド回
路１０の出力を第２の漸近回路１３に接続することで初
期化を図る。

【００３０】次に、動作を説明する。二値化すべき入力
信号の入力電圧は、図３（Ａ）のＡに示すように、緩や
かに変化する直流成分の上に正弦波信号が重畳されたも
のであり、なおかつ、この正弦波信号の周波数が大きく
変化するような形式の電圧である。まず、初期化信号を
オア回路２８を介して第１，第２の漸近回路４，１３に
与えて、初期化を行う。初期化信号によりトランジスタ
５がオンになり、第１の漸近回路４はピークホールド回
路１に接続される。

【００３１】また、同様に初期化信号によりトランジス
タ１４，１５がオンになり、第２の漸近回路１３はボト
ムホールド回路１０に接続される。入力信号はピークホ
ールド回路１によりピーク電圧がホールドされる。ピー
クホールド回路１は図３（Ａ）のｂ１に示すように、入
力信号の入力電圧Ａがピークホールド電圧Ｂより高い場
合にはピークホールド電圧Ｂを入力電圧Ａのピーク電圧
に瞬時に上昇させる。

【００３２】このとき、第１の漸近回路４はピークホー
ルド回路１に接続されており、第１の漸近回路４は入力
電圧Ａがピークホールド電圧Ｂより低くなると、ｂ２に
示すように、漸次、一定の低電位に向ってピークホール
ド電圧Ｂを下降させる。一方、同時に入力信号はボトム
ホールド回路１０によりボトム電圧がホールドされる。
ボトムホールド回路１０は図３（Ａ）のｃ１に示すよう
に、入力信号の入力電圧Ａがボトムホールド電圧Ｃより
低い場合にはボトムホールド電圧Ｃを入力電圧Ａのボト
ム電圧に瞬時に下降させる。

【００３３】このとき、第２の漸近回路１３はボトムホ
ールド回路１０に接続されており、第２の漸近回路１３
は入力電圧Ａがボトムホールド電圧Ｃより高くなると、
ｃ２に示すように、一定の高電位に向って漸次ボトムホ
ールド電圧Ｃを上昇させる。オペアンプ９および抵抗２
３を通ったピークホールド電圧Ｂと、オペアンプ２１お
よび抵抗２４を通ったボトムホールド電圧Ｃは平均化回
路２２のＤ点で混合され平均値がとられる。

【００３４】平均化回路２２で平均値がとられた平均値
電圧は、参照電圧Ｅとして比較器２５のマイナス入力端
子に与えられる。比較器２５のプラス入力端子には入力
信号の入力電圧Ａが入力しており、比較器２５は入力電
圧Ａと参照電圧Ｅを比較して二値化出力を行う。二値化
出力は、図３（Ｂ）のＯに示すように、比較器２５のプ
ラス入力端子に入力する入力電圧Ａがマイナス入力端子
に入力する参照電圧Ｅより高いとき、ハイレベル出力と
なり、入力電圧Ａが参照電圧Ｅより低くなるとローレベ
ル出力となる。

【００３５】入力信号中の正弦波成分の周波数が低下し
た停止状態では、入力電圧Ａは参照電圧Ｅより低い状態
にあるので、図３（Ｂ）のＮに示すように、二値化出力
はローレベルが続く。比較器２５の二値化出力がローレ
ベルからハイレベルに遷移して、その後ローレベルが続
き、その時間が単安定バイブレータ８のハイレベル出力
の時間τを越えると、図３（Ｃ）のＭに示すように、単
安定バイブレータ８の出力は、ハイレベルからローレベ
ルとなり、第１，第２の漸近回路４，１３をそれぞれオ
フさせる。

【００３６】このため、ピークホールド回路１のピーク
ホールド電圧Ｂは固定された状態でオペアンプ９に入力
し、図３（Ａ）のｂ３に示すように一定値を示す。同様
にボトムホールド回路１３のボトムホールド電圧Ｃも固
定された状態でオペアンプ２１に入力し、図３（Ａ）の
ｃ３に示すように一定値を示す。したがって、ピークホ
ールド電圧Ｂとボトムホールド電圧Ｃの平均値である参
照電圧Ｅも固定された一定値ｅを示す。このときの参照
電圧ｅは一定の入力電圧ａよりも高いので、比較器２５
からの二値化出力はローレベルとなる。

【００３７】再び入力信号が振れ始めて、入力電圧Ａが
参照電圧Ｅを越えると、比較器２５の二値化出力はハイ
レベルとなり、単安定バイブレータ８の出力も再びハイ
レベルとなる。こうして、ピークホールド回路１の出力
は再び第１の漸近回路４に接続され、ボトムホールド回
路１０の出力も再び第２の漸近回路１３に接続される。

【００３８】このように、入力信号中に正弦波成分が含
まれるときには参照電圧Ｅが入力信号に含まれる直流成
分の変動に追従して自動的に変動し、また、入力信号が
停止状態にあるときは、参照電圧Ｅが固定されるため、
常にデューティ比が５０％の安定した二値化出力が得ら
れる。図４は本発明の二値化回路の適用例を示す図であ
る。

【００３９】図４において、本発明の二値化回路３１
は、例えばミラー３２の回転角θを検出するために用い
られる。ミラー３２は支点３３で保持され、支点３３を
中心として矢印で示す回転角θで回動する。ミラー３２
の前面には支点３３より上側に第１のコーナーキューブ
３４が設けられ、支点３３より下側に第２のコーナーキ
ューブ３５が設けられる。

【００４０】レーザ発振器３６から発振されたレーザ光
は第１のハーフミラー３７を通過して第１のコーナーキ
ューブ３４に当って反射し、第１のハーフミラー３７か
らレンズ３９に入射する。また、第２のコーナーキュー
ブ３５に当ったレーザ光は反射してハーフミラー３８か
らレンズ３９に入射する。第１のハーフミラー３７と第
１のコーナーキューブ３４の間の反射距離をＬ１、第２
のハーフミラー３８と第２のコーナーキューブ３５の間
の反射距離をＬ２とすると、Ｌ１−Ｌ２∝θの関係があ
り、回転角θを求めることができる。

【００４１】Ｌ１−Ｌ２の距離は、レンズ３９に干渉縞
となって現われ、明暗のパターンがフォトダイオードで
あるディテクタ４０で検出される。ディテクタ４０で検
出した出力は、図３（Ａ）のＡに示したように、緩やか
に変化する直流成分のＣに正弦波信号が重畳されたもの
であり、なおかつ、この正弦波信号の周波数が大きく変
化するような形式の信号である。この信号は、二値化回
路３１により二値化され、常にデューティ比が５０％の
安定化した二値化信号となる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、入力信号中に正弦波成分が含まれるときは参照電圧
が入力信号に含まれる直流成分の変動に追従して自動的
に変動し、また、入力信号が停止状態にあるときは参照
電圧が固定されるため、常にデューティ比が５０％の安
定した二値化出力が得られる。

【００４３】また、初期化信号によりピークホールド回
路およびボトムホールド回路の各出力を第１，第２の漸
近回路に接続するようにしたため、確実に回路を立ち上
げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図

【図２】本発明の一実施形態を示す回路図

【図３】動作を説明する説明図

【図４】本発明の適用例を示す図

【図５】従来例を示す図

【図６】二値化すべきアナログ信号を示す図

【図７】他の従来例を示す図

【図８】他の従来例の動作を説明する説明図

【符号の説明】

１：ピークホールド回路 ２，１１：ダイオード ３，１２，２７：コンデンサ ４：第１の漸近回路 ５，１４，１５：トランジスタ ６，７，１６〜１９，２３，２４，２６：抵抗 ８：単安定バイブレータ（制御回路） ９，２１：オペアンプ １０：ボトムホールド回路 １３：第２の漸近回路 ２０：電源 ２２：平均化回路 ２５：比較器（比較回路） ２８：オア回路 ３１：二値化回路 ３２：ミラー ３３：支点 ３４，３５：第１，第２のコーナーキューブ ３６：レーザ発振器 ３７，３８：第１，第２のハーフミラー ３９：レンズ ４０：ディテクタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アナログ入力信号のピーク電圧を保持する
   ピークホールド回路と、 前記アナログ入力信号のボトム電圧を保持するボトムホ
   ールド回路と、 前記ピークホールド回路の出力電圧と前記ボトムホール
   ド回路の出力電圧の平均値をとり参照電圧として出力す
   る平均化回路と、 該平均化回路の出力電圧と前記アナログ入力信号の入力
   電圧を比較して二値化する比較回路と、 入力電圧がピークホールド電圧よりも低い場合に一定の
   低電位に向って漸次電圧を下降させる第１の漸近回路
   と、 入力電圧がボトムホールド電圧よりも高い場合に一定の
   高電位に向って漸次電圧を上昇させる第２の漸近回路
   と、 前記比較回路の二値化出力に基づいて前記ピークホール
   ド回路および前記ボトムホールド回路の各出力を前記第
   １，第２の漸近回路に一定時間接続させる制御回路と、
   を備えたことを特徴とする二値化回路。
2. 【請求項２】請求項１記載の二値化回路において、 前記制御回路の出力側にオア回路を設けて、オア回路を
   介して初期化信号により前記ピークホールド回路および
   前記ボトムホールド回路の各出力を前記第１，第２の漸
   近回路に接続させることを特徴とする二値化回路。